戴宏杰院士JACS：基于石墨正极的高容量可充电Li/Cl2电池

开发新型高容量/能量密度的可充电电池对于未来几代消费电子产品、电动汽车和大规模储能应用具有重要意义。其中，结晶石墨材料通常具有低表面积和孔体积，不太可能成为沉积大量金属氯化物及捕集和电还原氯所需的高容量多孔电极。

在此，美国斯坦福大学戴宏杰院士等人研究了一种有缺陷的石墨材料（缩写为 DGr）作为Li/Cl₂电池中的正极，特别是在通过在1000 °C的CO₂环境中退火进一步“活化”以产生更多缺陷并提供增加的比表面积和孔体积（得到的材料记为DGr_ac）。

电化学测试表明，DGr和DGr_ac电极在首次放电中分别提供了3.18 V/ 1391 mAh g^-1和3.37 V/ 1911 mAh g^-1的电压/容量。与DGr相比，DGr_ac首次放电容量的提高归因于比表面积增加了约42.9%（从13.11到18.73 m² g^-1），孔体积增加了约40.0%（从0.05到0.07 cm³ g^-1），这是由于高温CO₂活化在边缘和面内缺陷处蚀刻石墨。因此，更大的比表面积和孔隙体积提供了更多的LiCl沉积的可用位点，同时具有更高的首次放电容量。

图1. DGr和DGr_ac电极表征及首次放电曲线

循环测试表明，使用DGr正极的Li/Cl₂电池可在375 mAh g^-1循环容量下充电，并实现超过150次的稳定循环。而使用DGr_ac正极的Li/Cl₂电池也可稳定充电/循环且容量高达1200 mAh g^-1，平均放电电压为~3.5 V。作者基于拉曼光谱和XRD表征揭示了DGr_ac在电池循环过程中的结构变化是由反复的嵌入/脱嵌和剥离引起的，在石墨片之间打开了孔状空间用于LiCl/Cl₂捕获和高容量下的可逆氧化还原。

同时，作者利用质谱法探测在带电石墨电极中捕获的Cl₂，为电池运行提供了依据。结果表明，除了高度多孔的无定形碳材料之外，看似低表面积/小孔体积的石墨碳材料是高性能Li/Cl₂电池的有力竞争者。总之，这项工作为大容量碱金属/Cl₂电池提供了广泛可用的低成本石墨材料。

图2. 循环过程中DGr_ac正极的拉曼和XRD研究

High-Capacity Rechargeable Li/Cl₂ Batteries with Graphite Positive Electrodes, Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c07826

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